用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置及方法
【专利摘要】一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置及方法，属于数控【技术领域】。首先输入位置信号，此时两个直线电机接收到同样的指令信号并开始运动；确定每个直线电机动子的实测位置、速度及电流；再计算混合误差，采用互补滑模变结构控制算法，最后得出控制率，即双永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现。DSP产生相应的两组六路PWM脉冲信号，分别驱动双直线电机运行。本发明利用交叉耦合控制将两个单轴的跟踪误差转化为双直线电机伺服系统不仅提高了定位精度，而且使系统拥有较传统控制更快的响应速度，保证了位置跟踪误差和同步误差同时地快速地收敛到零，而且互补滑模变结构控制仍具有传统滑模的强鲁棒性特点。
【专利说明】用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控【技术领域】，特别涉及一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置及方法。
【背景技术】
[0002]双直线电机平台具有高精度控制性能，广泛应用与微电子学、精密计量学、电路装配、印刷电路板制造和平台薄板制造和检查等自动化生产过程中。龙门铣床是应用最为广泛的双直线电机平台之一，龙门铣床可以使用多把铣刀同时加工工件表面，适用于大量生产中加工大型工件，特别适用于大型电力装备、舰船用柴油机、轧钢机、大型风力发电机组等精密机械加工，数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。
[0003]双直线电机伺服系统具有两个平行的永磁直线同步电机，在龙门数控铣床定位平台中，这两个直线电机安装在龙门数控铣床定位平台上。龙门移动式铣床由两个直线电机带动两个龙门立柱的同步运动实现刀具进给，配合工作台上工件运动，完成铣削加工任务。相对于单轴伺服控制系统来说，双直线电机定位平台的控制要困难得多。对于在机械制造业中的龙门类加工机床来说，对定位精度的要求是最基础的，定位精度是对工件精密加工的前提。但双直线电机的同步控制是很困难的，这是由于横跨于两立柱之间的横梁及其与之相匹配的刀架，在移动加工时要偏离横梁的中心，对两边的立柱而言，这些大型移动部件，并不总是构成对称结构或对称受力的；再加上制造与安装上的不一致性，以及在加工运行中难以预料的各种不确定因素扰动，所以，尽管龙门两边的立柱各采用一套完全相同的传动机构与驱动系统，但最终还是不能保证运动的高度一致性，即产生所谓的不同步现象。这样一来，可能导致移动部件发生扭斜，进一步破坏了同步移动精度，轻者影响工件加工质量，甚至导致大型贵重精密工件报废，重者使加工难以进行，甚至损坏设备，造成重大损失。这样，由于龙门数控铣床定位平台的双直线电机存在着强烈电机耦合等诸多不确定性，以及被控对象与直线电机的非线性因素与参数变化，要想实现高精度同步进给还是相当困难的。过去几十年应用传统控制方法解决同步进给控制问题虽然取得了一定的效果，但用在产品上可能达到最高精度仍然难以满足高精度的加工要求，为了适应日益严格的高精度加工的要求，必须提出更新的控制方法。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置及方法，以实现双直线电机伺服系统的高精度定位目标。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置，包括:整流滤波电路、IPM逆变单元、DSP处理器、IPM隔离保护驱动电路、位置速度检测电路、电流检测电路以及永磁直线同步电机:
[0006]整流滤波电路:与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电；
[0007]IPM逆变电路:把整流滤波电路输出的直流电逆变成交流电，供给永磁直线同步电机；
[0008]控制电路:用于接收检测电路检测到的位置、速度和电流信号，经过DSP计算，得出的结果经两组IPM隔离保护驱动电路，分别控制IPM逆变单元中的开关管通断，实现对两台永磁直线同步电机的控制；
[0009]控制电路进一步包括:DSP处理器、IPM隔离驱动保护电路、电流检测电路和位置速度检测电路。
[0010]DSP处理器:将给定的位置信号，与光栅尺检测双直线电机位置信号作差，得到两台电机的跟踪误差，通过两个跟踪误差计算得到混合误差，利用交叉耦合互补滑模变结构控制算法，计算得出两台电机的控制信号，产生PWM信号，对两个永磁直线同步电机进行伺服驱动。
[0011]IPM隔离驱动保护电路:用于隔离IPM逆变电路和控制电路，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；
[0012]电流检测电路:用于采集动子电流，并将电流模拟量转变为DSP可以识别的数字量;
[0013]位置速度检测电路:用于将光栅尺采集的位置速度信号转化为可被DSP识别的数
子里；
[0014]所述的整流滤波电路经IPM逆变电路的输出端连接永磁直线同步电机，IPM逆变电路经电流检测电路连接DSP处理器的一路输入端，永磁直线同步电机的输出端经光栅尺、位置速度检测电路连接至DSP处理器的一路输入端，IPM逆变电路的输出还接有霍尔传感器，霍尔传感器与电流检测电路相连，然后将检测的电流信号送至DSP处理器的一路输入端。DSP处理器的一路输出端经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端。
[0015]所述的永磁直线同步电机，型号相同，且两个直线电机驱动电路元件选择均相同。
[0016]一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的方法，具体包括以下步骤:
[0017]步骤1:输入位置信号，此时两个直线电机接收到同样的指令信号，两电机开始运动；
[0018]步骤2:确定每个直线电机动子的实测位置、速度及电流；
[0019]电机运动后，两个伺服系统的检测电路同时开始工作，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号。脉冲信号送DSP的正交编码脉冲输入单元QEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数可知动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系可得动子的转向，从而得出动子的位置和速度；利用霍尔传感器采集动子电流。
[0020]步骤3:利用步骤2中采集到的数据，首先计算出混合误差，然后采用互补滑模变结构控制算法对其进行计算，最后得出控制率，即双永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现。具体步骤如下:
[0021 ] 步骤3.1:建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程；
[0022]建立d_q轴模型:对于永磁直线同步电机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴，构成了 d_q坐标系；
[0023]令电流内环d轴电流分量id = 0,使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交,贝Ij永磁直线同步电机的电磁推力方程为:
【权利要求】
1.一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置，其特征在于:包括:整流滤波电路、IPM逆变单元、DSP处理器、IPM隔离保护驱动电路、位置速度检测电路、电流检测电路以及永磁直线同步电机: 整流滤波电路:与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电； IPM逆变电路:把整流滤波电路输出的直流电逆变成交流电，供给永磁直线同步电机；控制电路:用于接收检测电路检测到的位置、速度和电流信号，经过DSP计算，得出的结果经两组IPM隔离保护驱动电路，分别控制IPM逆变单元中的开关管通断，实现对两台永磁直线同步电机的控制； 控制电路进一步包括=DSP处理器、IPM隔离驱动保护电路、电流检测电路和位置速度检测电路； DSP处理器:将给定的位置信号，与光栅尺检测双直线电机位置信号作差，得到两台电机的跟踪误差，通过两个跟踪误差计算得到混合误差，利用交叉耦合互补滑模变结构控制算法，计算得出两台电机的控制信号，产生PWM信号，对两个永磁直线同步电机进行伺服驱动； IPM隔离驱动保护电路:用于隔离IPM逆变电路和控制电路，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作； 电流检测电路:用于采集动子电流，并将电流模拟量转变为DSP可以识别的数字量； 位置速度检测电路:用于将光栅尺采集的位置速度信号转化为可被DSP识别的数字量。
2.根据权利要求1所述的用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置，其特征在于:所述的整流滤波电路经IPM逆变电路的输出端连接永磁直线同步电机，IPM逆变电路经电流检测电路连接DSP处理器的一路输入端，永磁直线同步电机的输出端经光栅尺、位置速度检测电路连接至DSP处理器的一路输入端，IPM逆变电路的输出还接有霍尔传感器，霍尔传感器与电流检测电路相连，然后将检测的电流信号送至DSP处理器的一路输入端，DSP处理器的一路输出端经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端。
3.根据权利要求1所述的用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的装置，其特征在于:所述的永磁直线同步电机，型号相同，且两个直线电机驱动电路元件选择均相同。
4.一种用双直线永磁同步电机控制龙门数控铣床的方法，其特征在于:具体包括以下步骤: 步骤1:输入位置信号，此时两个直线电机接收到同样的指令信号，两电机开始运动； 步骤2:确定每个直线电机动子的实测位置、速度及电流； 电机运动后，两个伺服系统的检测电路同时开始工作，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号送DSP的正交编码脉冲输入单元QEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数可知动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系可得动子的转向，从而得出动子的位置和速度；利用霍尔传感器采集动子电流； 步骤3:利用步骤2中采集到的数据，首先计算出混合误差，然后采用互补滑模变结构控制算法对其进行计算，最后得出控制率，即双永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现，具体步骤如下:步骤3.1:建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程； 建立d_q轴模型:对于永磁直线同步电机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴，构成了 d_q坐标系； 令电流内环d轴电流分量id=0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程为:
【文档编号】B23Q15/00GK103560721SQ201310578213
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月16日 优先权日:2013年11月16日
【发明者】赵希梅, 赵久威, 程浩, 孙宜标, 马志军 申请人:沈阳工业大学